Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.10.2024
Просмотров: 126
Скачиваний: 0
разившись от зеркал, это излучение снова без потерь пройдет через торцовые стенки, так как условия прохождения остаются прежними.
Генерация в ОКГ начинается со спонтанного излучения, которое не поляризовано, но в результате применения окон Брюстера со здадутся благоприятные условия для прохождения излучения одной поляризации. Это излучение вызовет в активной среде вынужденные переходы с той же поляризацией. Таким образом, применение окон Брюстера позволяет не только уменьшить потери и облегчить генера цию, но также дополнительно получить поляризованное излучение.
Электрический разряд в смеси газов создается в результате при ложения постоянного напряжения между катодом и анодом, распо ложенными на концах кюветы (см. рис. 12.14). Для облегчения
начала разряда катод иногда делают на |
Р |
каливаемым. Существуют конструкции |
|
ОКГ, в которых разряд возбуждается вы |
|
сокочастотным полем (30—50 МГц). В этом |
|
случае высокочастотное напряжение при |
|
кладывается между специальным кольце |
' С |
вым электродом, расположенным снаружи |
|
трубки. |
|
На рис. 12.13 была приведена упрощен- |
Рис. 12.15 |
ная схема энергетических уровней. В дей ствительности число уровней очень велико и возможно возбужде
ние колебаний на нескольких частотах. В гелий-неоновых ОКГ получено инфракрасное излучение (Я = 3,39 и и 1,15 мкм) и види мое излучение (Я = 0,63 мкм) с мощностью несколько десятков и сот милливатт.
Выходная мощность зависит от тока разряда, общего давления
вгазовой смеси, соотношения парциальных давлений гелия и нео на, диаметра разрядной трубки.
Зависимость выходной мощности от тока разряда показана на рис. 12.15. Сростом тока разряда увеличиваются число электронов
вразряде и населенность возбужденного уровня гелия и верхнего уровня рабочего перехода неона. Увеличение инверсной населенно сти приводит к росту выходного излучения. При большом токе разряда (свыше 100—200 мА) выходная мощность уменьшается из-за влияния процесса ступенчатого возбуждения нижнего рабочего уровня неона с метастабильного уровня (уровень 2 на рис. 12.13).
При достаточно больших токах (/ > 400 мА) генерация срыва ется.
Зависимость выходной мощности от соотношения парциальных давлений (или концентраций) гелия и неона уже пояснялась ранее. С ростом общего давления в смеси увеличивается концентрация атомов гелия и неона и растет населенность возбужденных уровней и выходная мощность. Однако при высоком давлении, когда кон центрация частиц в разряде становится большой, уменьшается длина свободного пробега электронов и соответственно уменьшается энер гия, приобретаемая электроном на этом пути в электрическом поле.
205
Последнее приводит к ослаблению процесса передачи энергии от электронов к атомам гелия и в конце концов к падению выходной
мощности.
В гелий-неоновом ОКГ, как и в других газовых ОКГ, концент рация частиц невысока, поэтому влияние взаимодействия между частицами на ширину спектральной линии мало. Ширина спектраль
ной |
линии газовых ОКГ порядка |
ІО“3—ІО-2 А по |
шкале длин |
|
волн. Ширина спектральной линии |
генерации газовых ОКГ |
са |
||
мая |
минимальная среди всех типов ОКГ и достигает |
около 1 |
Гц. |
Дополнительно преимущество газовых ОКГ, в том числе и гелийнеонового, состоит в малой угловой расходимости выходного излу чения (порядка угловых минут).
Ионные газовые ОКГ. В гелий-неоновом ОКГ используются энергетические переходы возбужденных атомов, а в ионных ОКГ — переходы между возбужденными состояниями ионов инертных
газов.
В ионных ОКГ применяют чистые инертные газы, без примеси. Поэтому инверсная населенность создается не за счет соударений атомов, а только вследствие электронного возбуждения. Энергети ческие уровни основного и возбуждаемого состояния иона располо жены гораздо выше уровней возбужденных состояний нейтральных атомов, поэтому вероятность прямого возбуждения этих уровней очень мала. Считается, что заселение уровней ионов происходит в результате ступенчатого возбуждения при соударениях электро нов с ионами, находящимися в основном состоянии.
Однако для получения большой мощности необходима высокая концентрация ионов в разряде, т. е. плазма разряда должна быть высокоионизованной. Поэтому применяется дуговой разряд, ха рактеризуемый большим током (несколько десятков ампер). Плот ность тока достигает 1000 А/см2.
Наибольшее распространение получил аргоновый ОКГ, рабо тающий на энергетических переходах между возбужденным состоя нием иона Аг+ в видимой области спектра (X = 0,45 — 0,51 мкм). Практически в ионных ОКГ не наблюдалось падения мощности при больших токах разряда. Пока максимально достижимый ток разряда определяется техническими причинами.
Для повышения плотности разряда в ионных ОКГ применяют продольное магнитное поле, которое удерживает заряженные час тицы вблизи оси трубки. Использование поля (0,2—0,4 Т) позво ляет увеличить выходную мощность в несколько раз. Мощность ионных ОКГ достигает нескольких ватт. При увеличении длины га зоразрядной трубки до 2 м удалось получить мощность 30—50 Вт. Однако к. п. д. ионных ОКГ остается очень низким — 0,01—0,1%.
Разряд создается в кварцевой трубке небольшого диаметра (1—3 |
мм) |
|
с окнами Брюстера. Резонатор образован внешними зеркалами. |
Ка |
|
пилляр |
охлаждается проточной водой, чтобы снять большую мощ |
|
ность, |
рассеиваемую на катоде и аноде разрядного промежутка. |
Рабочее давление в капилляре составляет десятые доли миллиметра
206
ртутного столба. Магнитное поле создается с помощью соленоида., надетого на разрядную трубку.
Молекулярные газовые <ЖГ. Существенным недостатком ато марных и ионных ОКГ является их низкий к. п. д. Эта особенность объясняется тем, что используются уровни, расположенные далеко от основного уровня атомов и ионов. В возбуждении этих уровней участвует небольшая часть имеющихся в разряде электронов. Верхние уровни могут возбуждаться лишь быстрыми электронами, а их доля невелика. При разности энергии между основным и верх ним уровнями порядка 20 зВ к. п. д.
оказывается около 5%.
В молекуле, состоящей из несколь ких атомов, внутренняя энергия оп ределяется не только энергией элек тронов атомов, но и энергией колеба тельного движения атомов, которая квантуется и характеризуется своими уровнями.
Колебательные |
уровни |
располо |
|
жены значительно ближе друг к дру |
|||
гу, чем электронные, |
что |
облегчает |
|
генерацию колебаний |
и позволяет по |
||
лучить меньшую |
частоту |
колебаний |
|
и перейти в ИФ-диапазон. |
упрощенная структура колебательных |
||
На рис. 12.16 |
показана |
уровней, а также энергетический колебательный уровень 6 моле кулы азота, который обычно добавляется в С02 для значительного увеличения мощности. Рабочими переходами в ОКГ на смеси С02 и N2 являются переходы 5—4 в С03 с длиной волны 10,6 мкм или 5—3 (Я = 9,6 мкм). Расстояние между верхним рабочим уров нем 5 и основным 1 равно 0,35 эВ.
Процесс создания инверсной населенности рабочего перехода происходит следующим образом. В разряде при неупругих соуда рениях с электронами возбуждаются молекулы С02 и N3. Не упругие удары электронов вызывают возбуждение колебательных уровней молекулы С02 и азота. Кроме того, имеются неупругие со ударения молекул N2 и С02, приводящие к возбуждению верхнего уровня 5. Эффективность возбуждения этого уровня велика, так как он расположен близко к уровню 6 N2. Уровни 6 и 5 имеют большое время жизни. Уровень 4 С02 имеет малое время жизни, так как на селенность этого уровня быстро уменьшается из-за безызлучатель ной передачи энергии вращательному движению (вращательным состояниям). Этот процесс называют вращательной релаксацией. Времена жизни более низких уровней 3 и 2 также малы, но вслед ствие колебательной релаксации. Таким образом, выполняются условия для получения инверсной населенности уровней 5 и 4.
Особенностью ОКГ на С02 является необходимость постоянного движения газа через газоразрядную трубку, так как число молекул
207
С 02 постоянно уменьшается в результате диссоциации на кислород и окись углерода: 2СОг-ѵ 2СО-,; 0 2. Если не восполнять убыль С02, мощность ОКГ через некоторое время заметно уменьшится.
Так же как и в других газовых ОКГ, зависимость мощности от тока разряда имеет максимум. В молекулярном ОКГ использу ется тлеющий разряд в трубках большой длины (1—5 м). Напря жение на разрядном промежутке достигает 10 кВ, а оптимальный — ток разряда составляет десятки и сотни миллиампер. Из-за особен ностей процесса получения инверсной населенности в ОКГ на С02 наблюдается в отличие от гелий-неонового ОКГ слабая зависимость выходной мощности от диаметра газоразрядной трубки. Диаметр трубок может быть увеличен до 10 см, что приводит к увеличению общего числа частиц в объеме и росту мощности. Однако дальней шее увеличение диаметра не имеет практического смысла, так как известно, что сечение разряда перестает увеличиваться. Большое сечение разряда и значительная длина трубок позволяют получать очень большие мощности. В отдельных ОКГ эта мощность в не прерывном режиме превышает 1 кВт при очень высоком по сравне нию с другими газовыми ОКГ к. п. д. (5—15%).
Достоинство ОКГ на С02 состоит еще и в том, что его излучение (А = 10,6 мкм) слабо поглощается в атмосфере.
Конструкции генератора на С02 и гелий-неонового ОКГ имеют много общего. Однако очень серьезные требования предъявляются к конструкции брюстеровских окон и зеркал, в которых может происходить значительное поглощение энергии в ИФ-диапазоне. Усложняет конструкцию и эксплуатацию молекулярных ОКГ не обходимость постоянной прокачки углекислого газа через трубку.
ОКГ с использованием фотодиссоциации молекул. Фотодиссо циация молекул — это разложение молекул под действием светя. При достаточно высокой энергии первичных фотонов один из атомов распавшейся молекулы может оказаться в возбужденном состоя нии, пригодном для получения инверсной населенности. Уровень возбужденного атома используется как верхний уровень рабочего перехода.
Непосредственное оптическое возбуждение атомов для получе ния инверсной населенности не нашло широкого применения. Спектральные линии газа очень узкие (около 0,01А), поэтому для получения возбужденных состояний требуется вспомогательное из лучение с частотой, точно равной частоте, соответствующей этому состоянию. Поэтому применение обычных источников света с широ ким спектром частот малоэффективно.
Известно, что ширина спектра, в котором возможна фотодиссо циация примерно в ІО4 раз больше, чем при оптическом возбужде нии атомов, и составляет несколько сот ангстрем. В этих условиях уже можно использовать имеющиеся световые источники, например лампы-вспышки. Преимущество ОКГ с фотодиссоциацией по сравне нию с газовыми ОКГ с использованием разряда состоит в том, что в нем происходит увеличение населенности одного, а не большого
208